CN113779845B - 基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法和装置，方法包括获取耐张线夹各零部件和压接模具的实测参数；根据实测参数，对所述耐张线夹各零部件及压接模具进行模型构建；对构建的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布；根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化。本发明通过仿真对模具进行结构优化以减少残余应力，操作简单，实用性强。

Description

基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法和装置

技术领域

本发明属于电力装备技术领域，具体涉及一种基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法和装置。

背景技术

电能的正常供应是人民日常生活进行的基本保障，其大规模长距离输送的主要载体为架空输电线路，而钢芯铝绞线作为构成架空输电线路的重要组成部分，其可靠性对于电力系统的正常运行至关重要。输电线路耐张线夹是用于在耐张、转角、终端杆塔的绝缘子串上固定架空导线，并承受导线张力的金具，不仅须承受导线的全部张力，还承担着载流任务，其安全可靠性不容忽视。输电线路耐张线夹需通过压模多步压接实现与导线间的稳固连接，压接过程中铝管和钢锚发生塑性变形易产生残余应力，给耐张线夹长期安全稳定运行造成重大隐患，因此对其残余应力的优化较少变得十分必要。

目前基于实验的优化方法不具有针对性且实施难度较大。

发明内容

为了解决现有技术中提出的耐张线夹残余应力较大的问题以及缺乏针对性优化的问题，本发明提供了一种基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法。本发明通过仿真对模具进行结构优化以减少残余应力，操作简单，实用性强。

本发明通过下述技术方案实现：

基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，包括：

获取耐张线夹各零部件和压接模具的实测参数；

根据实测参数，对所述耐张线夹各零部件及压接模具进行模型构建；

对构建的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布；

根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化。

优选的，本发明获取的所述实测参数包括各零部件尺寸参数以及压接位置参数。

优选的，本发明的模型构建步骤具体包括几何模型建立、材料添加、压接过程参数设置和网格划分四个子步骤。

优选的，本发明的几何模型建立子步骤具体为：

基于获取的实测参数，采用有限元软件对耐张线夹零部件及压接模具的原始结构进行几何建模，确定其对应位置关系。

优选的，本发明的材料添加子步骤具体为：

根据实际使用材料进行拉伸实验获得对应的力学材料参数，包括屈服强度、拉伸强度、杨氏模量、泊松比，将获得的材料参数增加到模型中。

优选的，本发明的网格划分子步骤具体为：

对耐张线夹各零部件几何模型和压接模具几何模型进行网格划分；

且网格的大小根据计算机内存来确定。

优选的，本发明的压接过程中的残余应力分布分析包括：

对完成压接后的所述耐张线夹整体进行参与应力分析；

对每一模压接后的残余应力进行分析。

优选的，本发明的压接过程中的残余应力分布分析具体为：

若设置对象为弹塑性，则采用的计算方法为稀疏算法，采用的迭代方法为牛顿-拉夫森算法；

若设置对象为塑性，则采用的计算方法为共轭梯度法，采用的迭代方法为直接迭代法。

优选的，本发明的压接优化具体包括：

通过改变压接模具长度或压接模具深度，进行压接过程仿真，获取残余应力与模具长度或模具深度的关系，找到最佳模具长度或模具深度，从而降低压接完成后的残余应力；

和/或，通过改变模具形状进行优化，包括：模具内部棱角倒角处理，通过设置不同倒角半径，进行压接过程仿真，对比残余应力，找出最佳倒角半径，从而降低压接完成后的残余应力或者在不改变压接模具深度的情况下修改张开角度，进行压接过程仿真，对比残余应力，找出最佳张开角度，从而降低压接完成后的残余应力；

和/或，通过调节压接过程参数进行优化，包括调节压接速率或压接叠模。

另一方面，本发明还提出了基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化装置，包括：参数获取单元、建模单元、仿真单元和优化单元；

其中，所述参数获取单元用于获取耐张线夹各零部件以及压接模具的实测参数；

所述建模单元根据获取的实测参数，对耐张线夹各零部件和压接模具进行模型构建；

所述仿真单元对构建的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布；

所述优化单元根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提出的方法操作简单，通过仿真方法优化耐张线夹的受力情况，有效减少耐张线夹发生断裂失效的可能性，保证了电力系统的稳定运行，同时节约大量人力物力。

2、本发明针对性强，本发明逐一分析了优化过程中的问题，使耐张线夹的残余应力得到很好的优化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的优化方法流程示意图。

图2为本发明的耐张线夹结构示意图。

图3为优化后的铝绞线和钢芯模型。其中，(a)为钢芯模型；(b)为铝绞线模型。

图4为装配压接的耐张线夹模型。

图5为本发明的压接模具。

图6为本发明的压接模具倒角位置与角度设定示意图。

图7为本发明的压接叠模示意图。

图8为本发明的优化装置原理框图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-铝管，2-铝绞线，3-第一铝管压接模具，4-钢芯，5-钢锚压接模具，6-第二铝管压接模具，7-钢锚，8-棱角。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

在电力传输系统中，耐张线夹至关重要，然而现有的耐张线夹在压接过程中铝管和钢锚发生塑性形变容易产生残余应力，给电力系统运行带来安全隐患。因此本实施例提供了一种基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，本实施例通过对耐张线夹进行建模和仿真，得到其残余应力分布情况，通过改善模具模型进行优化。

具体如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：

步骤101，获取耐张线夹各零部件和压接模具的实测参数。

本实施例以图2所示的某原始耐张线夹结构为例，其包括铝管1、铝绞线2、第一铝管压接模具3、钢芯4、钢锚压接模具5、第二铝管压接模具6和钢锚7等零部件。本实施例测量该耐张线夹各零部件尺寸以及压接位置参数，同时确定各零部件材料，进而确定屈服强度、拉伸强度、杨氏模量、泊松比等力学参数。

本实施例在测量各零部件尺寸时，还可参考对应耐张线夹各零部件(组成部分)的相关标准对测量数据进行矫正。

步骤102，对耐张线夹各零部件及压接模具进行建模。

本实施例的步骤102具体包括几何模型建立、材料添加、压接过程参数(压接步长、迭代方法)设置、网格划分等四个子步骤：

其中，该几何模型建立子步骤具体为：基于获取的实测参数采用有限元软件对耐张线夹各零部件及压接模具的原始结构进行几何建模，确定其对应位置关系。

材料添加子步骤具体为：通过力学试验获得实际使用材料的力学性能参数，包括屈服强度、拉伸强度、杨氏模量、泊松比等，并将其添加到模型中。

网格划分子步骤具体为：对耐张线夹各零部件几何模型和压接模具几何模型进行网格划分。网格不能过粗，容易导致模型畸形，影响计算精度，同时网格也不宜过细，会造成网格数量庞大，增大计算量，使得计算变得复杂，占用计算机内存过大导致软件崩溃。本实施例根据计算机许用内存，采用分部件、分区域的方式进行最优网格划分。

本实施例在建模过程中，将各零部件的位置关系按照实际压接过程中的位置进行组合，且在压接过程中若出现各个零部件的位置发生偏移，则需要在进行下一压接前进行调整，并严格按照相应的压接步骤。

本实施例在建模过程中，如果需要对模型进行简化，则需要考虑简化是否对仿真结果有影响以及结果偏差比为多少，必要时需进行对比仿真实验。

步骤103，对建立的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布。

本实施例不仅需要对完成压接后的耐张线夹整体进行残余应力分析，同时需要分析每一模压接后的残余应力，进而针对每一模的残余应力进行优化工艺，减少每一模的残余应力，进而达到减少最终压接完成的残余应力。如图3-4所示。

本实施例为了更加准确得到压接过程中的受力情况，若设置对象为弹塑性，则本实施例采用的计算方法优选为稀疏算法(Sparse)，迭代方法优选为牛顿-拉夫森算法(Newton-Raphson)；若设置对象为塑性，则本实施例采用的计算方法优选为共轭梯度法(Conjugate Gradient)，迭代方法优选为直接迭代。

步骤104，根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化。

由于耐张线夹本身的结构标准无法修改，改善残余应力的手段只能从压接工艺入手，本实施例采用对压接的模具进行结构改进的方式进行优化，模具结构改进的方式包括：模具长度的选择、压接完成后铝管对边距(模具深度)的选择、模具内部的倒角处理、模具的张角改进、压接速度的调整以及压接叠模的优化。

为减少残余应力，可增加压接模具的长度，同时在保证压接后拉断力达到要求的情况下，尽可能减少模具深度。

优选过程包括：

(1)可通过改变压接模具长度或压接模具深度进行优化改进，具体如图5所示，通过增加和减少模具的长度，进行压接过程的仿真，探寻残余应力与模具长度的关系，找到最佳模具长度，达到降低压接完成后的残余应力。

或者改善模具深度改进，通过设置不同的模具深度，同上探究残余应力与模具深度的关系，这里需要注意的是相关标准对压接后的零部件对边距有要求，因此需进行范围设置。进行压接过程的仿真，据此找到最佳的模具尺寸，达到降低压接完成后的残余应力。

(2)可从模具形状进行优化改进，如图6所示，可采用的方式包括在模具内部的棱角8处进行倒角处理以及改变模具的张开角度。倒角处理的位置参考图6(a)，本实施例优选设置为倒圆角处理可以改善受力分布，通过设置不同的圆角半径改善模型进行压接过程仿真对比残余应力，找出最佳倒角半径，达到降低压接完成后的残余应力；模具张开角度如图6(b)，在不改变压接深度的情况下修改张开角度调节压接后的残余应力分布，进行压接过程仿真，找出最佳张开角度，达到降低压接完成后的残余应力。

(3)可调节压接过程(例如调节压接速率和压接叠模)来改善残余应力分布。一般情况下，压接速度越慢残余应力越小，但是实际工程应用中，还需要考虑压接效率，需要综合考虑；如图7所示为压接叠模的示意图，压接过程中压接叠模的大小也会影响压接后的残余应力分布和压接的效率，因此可通过参数扫描对不同压接叠模进行压接仿真得到具有高压接速率低残余应力分布的方案。

最后进行综合优化，结合多种方法进行改进，这时除了考虑残余应力之外，还要考虑时间的应用性和经济性，在保证耐张线夹的结构强度达标的情况下尽最大可能减少残余应力。

将优化结果输出，根据优化结果获得减小残余应力的耐张线夹。

实施例2

本实施例提出了一种基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化装置，具体如图8所示，本实施例的装置包括参数获取单元、建模单元、仿真单元和优化单元。

其中，参数获取单元用于获取耐张线夹各零部件以及压接模具的实测参数，包括测量得到的各零部件的尺寸参数以及压接位置参数等，并确定各零部件材料，以便于确定包括屈服强度、杨氏模量、泊松比、材料密度等力学参数。

建模单元根据耐张线夹各零部件及压接模具的实测参数，对耐张线夹各零部件和压接模具进行模型构建，建模过程具体包括几何模型建立、材料添加、压接过程参数设置和网格划分四个子步骤。

仿真单元对建立的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布。

优化单元根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化。

本实施例的装置还包括输出单元，所述输出单元用于将优化结果进行输出，以获得优化后的耐张线夹结果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，包括：

获取耐张线夹各零部件和压接模具的实测参数；

根据实测参数，对所述耐张线夹各零部件及压接模具进行模型构建；

对构建的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布；

根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化；

所述压接优化具体包括：

通过改变压接模具长度或压接模具深度，进行压接过程仿真，获取残余应力与模具长度或模具深度的关系，找到最佳模具长度或模具深度，从而降低压接完成后的残余应力；

和/或，通过改变模具形状进行优化，包括：模具内部棱角倒角处理，通过设置不同倒角半径，进行压接过程仿真，对比残余应力，找出最佳倒角半径，从而降低压接完成后的残余应力或者在不改变压接模具深度的情况下修改张开角度，进行压接过程仿真，对比残余应力，找出最佳张开角度，从而降低压接完成后的残余应力；

和/或，通过调节压接过程参数进行优化，包括调节压接速率或压接叠模。

2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，获取的所述实测参数包括各零部件尺寸参数以及压接位置参数。

3.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，所述模型构建步骤具体包括几何模型建立、材料添加、压接过程参数设置和网格划分四个子步骤。

4.根据权利要求3所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，所述几何模型建立子步骤具体为：

基于获取的实测参数，采用有限元软件对耐张线夹零部件及压接模具的原始结构进行几何建模，确定其对应位置关系。

5.根据权利要求3所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，所述材料添加子步骤具体为：

根据实际使用材料进行拉伸实验获得对应的力学材料参数，包括屈服强度、拉伸强度、杨氏模量、泊松比，将获得的材料参数增加到模型中。

6.根据权利要求3所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，所述网格划分子步骤具体为：

对耐张线夹各零部件几何模型和压接模具几何模型进行网格划分；

且网格的大小根据计算机内存来确定。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，所述压接过程中的残余应力分布分析包括：

对完成压接后的所述耐张线夹整体进行参与应力分析；

对每一模压接后的残余应力进行分析。

8.根据权利要求1-6任一项所述的基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化方法，其特征在于，所述压接过程中的残余应力分布分析具体为：

若设置对象为弹塑性，则采用的计算方法为稀疏算法，采用的迭代方法为牛顿-拉夫森算法；

若设置对象为塑性，则采用的计算方法为共轭梯度法，采用的迭代方法为直接迭代法。

9.基于有限元仿真的耐张线夹压接工艺优化装置，其特征在于，包括：参数获取单元、建模单元、仿真单元和优化单元；

其中，所述参数获取单元用于获取耐张线夹各零部件以及压接模具的实测参数；

所述建模单元根据获取的实测参数，对耐张线夹各零部件和压接模具进行模型构建；

所述仿真单元对构建的模型进行压接过程仿真，分析耐张线夹在压接过程中的形变及残余应力分布；

所述优化单元根据压接过程中的形变及残余应力分布分析结果，进行耐张线夹压接优化；所述压接优化具体包括：

通过改变压接模具长度或压接模具深度，进行压接过程仿真，获取残余应力与模具长度或模具深度的关系，找到最佳模具长度或模具深度，从而降低压接完成后的残余应力；

和/或，通过改变模具形状进行优化，包括：模具内部棱角倒角处理，通过设置不同倒角半径，进行压接过程仿真，对比残余应力，找出最佳倒角半径，从而降低压接完成后的残余应力或者在不改变压接模具深度的情况下修改张开角度，进行压接过程仿真，对比残余应力，找出最佳张开角度，从而降低压接完成后的残余应力；

和/或，通过调节压接过程参数进行优化，包括调节压接速率或压接叠模。

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